Ein Solarspiegel enthält ein Substrat mit einer reflektierenden Schicht zum Reflektieren der Sonnenenergie und in den meisten Fällen eine Interferenzschicht. Dies kann ein planarer Spiegel oder parabolische Arrays von Solarspiegeln sein, die verwendet werden, um einen im Wesentlichen konzentrierten Reflexionsfaktor für Solarenergiesysteme zu erzielen.
Siehe Artikel „Heliostat“ für weitere Informationen über Sonnenspiegel, die für terrestrische Energie verwendet werden.
Komponenten
Glas oder Metallsubstrat
Das Substrat ist die mechanische Schicht, die den Spiegel in Form hält.
Glas kann auch als Schutzschicht verwendet werden, um die anderen Schichten vor Abrieb und Korrosion zu schützen. Obwohl Glas spröde ist, ist es ein gutes Material für diesen Zweck, weil es hochtransparent ist (geringe optische Verluste), resistent gegen ultraviolettes Licht (UV), ziemlich hart (abriebfest), chemisch inert und ziemlich leicht zu reinigen. Es besteht aus einem Floatglas mit hohen optischen Transmissionseigenschaften im sichtbaren und infraroten Bereich und ist so konfiguriert, dass es sichtbares Licht und Infrarotstrahlung durchlässt. Die obere Fläche, die als „erste Fläche“ bekannt ist, reflektiert einen Teil der einfallenden Sonnenenergie aufgrund des Reflexionskoeffizienten, der dadurch verursacht wird, dass ihr Brechungsindex höher ist als der von Luft. Der größte Teil der Sonnenenergie wird durch das Glassubstrat zu den unteren Schichten des Spiegels übertragen, möglicherweise mit einer gewissen Brechung, abhängig von dem Einfallswinkel, wenn Licht in den Spiegel eintritt.
Metallsubstrate („Metallspiegelreflektoren“) können auch in Solarreflektoren verwendet werden. Das Glenn Research Center der NASA verwendete beispielsweise einen Spiegel mit einer reflektierenden Aluminiumoberfläche auf einer metallischen Wabe als Prototyp einer Reflektoreinheit für ein vorgeschlagenes Stromsystem für die Internationale Raumstation. Eine Technologie verwendet Aluminium-Verbund-Reflektorplatten, die über 93% Reflektivität erreichen und mit einer Spezialbeschichtung zum Schutz der Oberfläche beschichtet sind. Metallreflektoren bieten einige Vorteile gegenüber Glasreflektoren, da sie leicht und stärker als Glas und relativ kostengünstig sind. Die Fähigkeit, eine parabolische Form in Reflektoren beizubehalten, ist ein weiterer Vorteil, und normalerweise werden die Anforderungen an den Hilfsrahmen um mehr als 300% reduziert. Die Oberflächenreflexionsbeschichtung ermöglicht eine bessere Effizienz.
Reflektierende Schicht
Die reflektierende Schicht ist so ausgelegt, dass sie die maximale Menge an Sonnenenergie reflektiert, die auf sie auftrifft, zurück durch das Glassubstrat. Die Schicht umfasst einen hochreflektierenden dünnen Metallfilm, gewöhnlich entweder Silber oder Aluminium, gelegentlich aber auch andere Metalle. Wegen der Empfindlichkeit gegen Abrieb und Korrosion ist die Metallschicht normalerweise durch das (Glas-) Substrat oben geschützt, und der Boden kann mit einer Schutzschicht, wie einer Kupferschicht und einem Lack, bedeckt sein.
Trotz der Verwendung von Aluminium in generischen Spiegeln wird Aluminium nicht immer als reflektierende Schicht für einen Solarspiegel verwendet. Die Verwendung von Silber als reflektierende Schicht soll zu höheren Wirkungsgraden führen, da es das reflektierendste Metall ist. Dies liegt an dem Reflexionsfaktor von Aluminium im UV-Bereich des Spektrums. Wenn die Aluminiumschicht auf der ersten Oberfläche angeordnet wird, wird sie der Witterung ausgesetzt, was die Korrosionsbeständigkeit des Spiegels verringert und ihn anfälliger für Abrieb macht. Das Hinzufügen einer Schutzschicht zu dem Aluminium würde sein Reflexionsvermögen verringern.
Interferenzschicht
Eine Interferenzschicht kann sich auf der ersten Oberfläche des Glassubstrats befinden. Es kann verwendet werden, um das Reflexionsvermögen anzupassen. Es kann auch für eine diffuse Reflexion von Nah-Ultraviolettstrahlung ausgelegt sein, um zu verhindern, dass es durch das Glassubstrat hindurchtritt. Dies erhöht wesentlich die Gesamtreflexion von Nah-Ultraviolettstrahlung von dem Spiegel. Die Interferenzschicht kann aus verschiedenen Materialien bestehen, abhängig von dem gewünschten Brechungsindex, wie Titandioxid.
Solarthermische Anwendungen
Die Intensität der Solarthermie aus der Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche beträgt etwa 1 Kilowatt pro Quadratmeter (0,093 kW / ft²), bei einer Fläche senkrecht zur Sonnenrichtung, unter klaren Bedingungen. Wenn die Sonnenenergie nicht konzentriert ist, beträgt die maximale Kollektortemperatur ungefähr 80-100 ° C (176-212 ° F). Dies ist nützlich für Raumheizung und Heizungswasser. Für Anwendungen mit höheren Temperaturen, wie z. B. Kochen, oder zum Liefern einer Wärmekraftmaschine oder eines Turbinen-Stromgenerators, muss diese Energie konzentriert werden.
Terrestrische Anwendungen
Solarthermische Anlagen wurden errichtet, um konzentrierte Solarenergie (CSP) zur Stromerzeugung zu erzeugen. Der große Sandia Lab Solarturm nutzt einen Stirling-Motor, der von einem Solarspiegelkonzentrator beheizt wird. Eine andere Konfiguration ist das Trogsystem.
Raumenergie-Anwendung
„Solardynamische“ Energiesysteme wurden für verschiedene Raumfahrzeuganwendungen vorgeschlagen, einschließlich Solarenergiesatelliten, bei denen ein Reflektor Sonnenlicht auf eine Wärmekraftmaschine wie den Brayton-Zyklustyp fokussiert.
Photovoltaik Augmentation
Photovoltaikzellen (PV), die Sonnenstrahlung direkt in Elektrizität umwandeln können, sind pro Flächeneinheit sehr teuer. Einige Arten von PV-Zellen, z. B. Galliumarsenid, können, wenn sie gekühlt werden, in der Lage sein, effizient bis zu 1000-mal so viel Strahlung zu erzeugen, wie es normalerweise bei einfacher direkter Sonneneinstrahlung möglich ist.
In Tests, die von Sewang Yoon und Vahan Garboushian für Amonix Corp. durchgeführt wurden, wird gezeigt, dass die Silizium-Solarzellenumwandlungseffizienz bei höheren Konzentrationen proportional zum Logarithmus der Konzentration ansteigt, vorausgesetzt, dass den Fotozellen externe Kühlung zur Verfügung steht. In ähnlicher Weise verbessern Zellen mit höherem Wirkungsgrad und mehreren Übergängen auch die Leistungsfähigkeit bei hoher Konzentration.
Terrestrische Anwendung
Bislang wurde dieses Konzept nicht in großem Maßstab getestet. Vermutlich liegt dies daran, dass die erhöhten Kosten der Reflektoren und der Kühlung im Allgemeinen nicht wirtschaftlich gerechtfertigt sind.
Solarenergie-Satelliten-Anwendung
Theoretisch könnten Solarspiegel bei raumgestützten Solarstrom-Satellitendesigns die Kosten für Solarzellen und die Kosten für die Einführung reduzieren, da sie voraussichtlich leichter und billiger sind als vergleichbare große Solarzellenflächen. Mehrere Optionen wurden von der Boeing Corporation untersucht. Die Autoren beschreiben in ihrem Bild „Architektur 4. GEO Harris Wheel“ ein System von Solarspiegeln, die die Leistung einiger nahe gelegener Solarkollektoren erhöhen, von denen die Leistung dann zu den Empfängerstationen auf der Erde übertragen wird.
Raumreflektoren für die Nachtbeleuchtung
Ein weiterer Vorschlag für ein fortschrittliches Raumkonzept ist der Begriff der Raumreflektoren, die das Sonnenlicht auf kleine Punkte auf der Nachtseite der Erde reflektieren, um eine Nachtzeitbeleuchtung bereitzustellen. Ein früher Befürworter dieses Konzepts war Dr. Krafft Arnold Ehricke, der über Systeme namens „Lunetta“, „Soletta“, „Biosoletta“ und „Powersoletta“ schrieb.
Eine vorläufige Serie von Experimenten, die Znamya („Banner“) genannt wurde, wurde von Russland durchgeführt, wobei Sonnensegelprototypen verwendet wurden, die als Spiegel wiederverwendet worden waren. Znamya-1 war ein Bodentest. Znamya-2 wurde am 27. Oktober 1992 an Bord der Progress M-15 Nachschubmission zur Raumstation Mir gestartet. Nach dem Abdocken von Mir setzte der Progress den Reflektor ein. Diese Mission war erfolgreich, indem der Spiegel entfaltet wurde, obwohl er die Erde nicht beleuchtete. Der nächste Flug Znamya-2.5 ist fehlgeschlagen. Znamya-3 ist nie geflogen.